基于OSG的三维河流的可视化研究——以长江澄通河段为例 .pdf-资料库

6077ba8b-9122-46fb-84c3-918d3bc481dd.pdf-第1页.png

第1页 / 共10页

6077ba8b-9122-46fb-84c3-918d3bc481dd.pdf-第2页.png

第2页 / 共10页

6077ba8b-9122-46fb-84c3-918d3bc481dd.pdf-第3页.png

第3页 / 共10页

6077ba8b-9122-46fb-84c3-918d3bc481dd.pdf-第4页.png

第4页 / 共10页

6077ba8b-9122-46fb-84c3-918d3bc481dd.pdf-第5页.png

第5页 / 共10页

6077ba8b-9122-46fb-84c3-918d3bc481dd.pdf-第6页.png

第6页 / 共10页

6077ba8b-9122-46fb-84c3-918d3bc481dd.pdf-第7页.png

第7页 / 共10页

6077ba8b-9122-46fb-84c3-918d3bc481dd.pdf-第8页.png

第8页 / 共10页

http://www.paper.edu.cn 基于OSG的三维河流的可视化研究 —以长江澄通河段为例刘现锋 1 ，王船海 1.河海大学水文水资源学院，南京（210098） 1 ，唐海涛 2 ，孙奇 3 ，张文静 1 2.华东勘测设计研究院，杭州（310014） 3.余姚市水利局，浙江余姚（315400) E-mail： liuxianfeng83511@163.com 摘要：本文以长江澄通河段为研究对象，在 Visual C++平台上，以三维图形开发应用库 Open Scene Graph (简称 OSG)为基础，实现三维河流的可视化。本文所实现的三维河流的可视化不仅仅是河面和河床的三维可视化，河面和河床之间的内部水体的也以六层三维网格的形式展现出来了。当后台的数学模型开始计算后，河流也开始动态地流动，达到计算和显示同步进行的目的。同时可以方便地对河流的实时信息进行查询，比如当前 U 方向流速、V 方向流速、W 方向流速等信息。这样，人们可以直观地看到河道中水流的变化情况。通过系统的运行表明，该系统能逼真地显示河流的三维动态变化，取得了较好的效果。关键词：OSG; 三维河流; 可视化; 长江澄通河段中图分类号：P33 1．引言水流的实际运动呈现的是三维形态，要全面如实地反映水流的真实特性，必须用三维的形式来模拟水流的运动[1] 。近三十年来，三维水流数学模型的研究取得了显著进展，已经逐渐成为了研究水流实际运动状态的强有力工具[1]。但是这些模型的计算结果大多以文件形式来表示，文件中依次包含了各网格点的 U、V、W 流速等信息。显然这种数字表达不够直观，本文利用 Visual C++平台，在 Open Scene Graph（简称 OSG）基础上对河道三维水流数学模型的计算结果进行动态显示，以更好的展示河流的运动过程，实现水流的动态流动，使人们更直观的看到河道中水流的变化，使得水流信息得以更直观的表达。目前关于河流可视化的研究大多是河流河面的三维可视化，没有表现河流内部的动态变化。本文不仅仅实现了河流河面的三维表达，其内部形态也能够展现出来。关于三维河流的可视化的研究，G.Drogue 等人[2](2002)利用 ArcView 的可视化工具对水文过程进行了三维可视化研究，他们表现的是线状河川径流的三维动态变化。Bo Huang 等人[3]（2002）采用 ArcView 的宏语言 Avenue 编程，把水文模型 TOPMODEL 和地理信息系统的可视化和空间分析功能集成起来(AVTOP)，能够显示三维地形，但河流的可视化停留在三维河面上。袁艳斌等人[4]（2002）以 Visual C++为系统开发平台，结合 GIS 和 OpenGL 技术模拟了流域洪水的三维演进过程，其表现的是水面的三维可视化。陈鹏霄[5]（2004）等人应用 3DMAX 的插件 Realflow 和 Realwave 来实现水流的仿真，仿真的仍是河流河面的情景，未对河流内部的状况进行表达。罗维佳等人[6]（2005）以 Visual C++6.0 调用 OpenGL 函数对流域空间水文过程三维可视化进行了研究,其研究的可视化是流域径流表面的可视化,其内部状态没有表现出来；另外其空间水文过程和水文模型计算是分离的,以文件形式来达到数据通讯,未能实现水文过程真正意义上的实时动态显示。唐海涛[7]（2008）对二维河网计算模型的结果数据进行了动态显示, 在 Visual C++开发平台上，以三维图形开发应用库 Open Scene Graph 为基础，来构建三维场景，显示的仍然是河流河面的三维形态。 - 1 -

http://www.paper.edu.cn 2．研究区域概况本文选取长江澄通河段，作为研究区域。该区域属于长江河道下游河段（如图 1 所示），澄通段上起江阴黄田港，下至常熟徐六泾，由福姜沙水道、如皋沙水道、通洲沙水道、狼山沙水道及徐六泾节点段等组成。该段河道形状呈“Z”字型（如图 2 所示），属于多汊型河段，河道内沙洲密布，水流结构复杂。该河段主要特点是江面宽窄相差悬殊，鹅鼻嘴节点处江面宽仅 1.4 公里左右，狼山沙水道处河床宽度达 10 公里左右，至徐六泾又缩窄为 5～6 公里。该段河道两岸为广阔的冲积平原，地势低平，是粮棉油的重要产区。该河段处于经济高度发达地区，辖区两岸大中型企业林立，有江阴港等 5 大港口，有万吨级深水码头 38 座，吞吐量约 4700 万吨，是长江流域经济最发达地区[8-10]。图 1 长江澄通河段地理位置示意图 Fig.1 Location of Yangtze River ChengTong Reach 图 2 长江澄通河段形状示意图 Fig.2 Sketch of Yangtze River ChengTong Reach - 2 -

http://www.paper.edu.cn 3．Open Scene Graph 简介 Open Scene Graph （以下简称 OSG）是一款高效实时的三维图形开发包，OSG 构建于 OpenGL 图形函数库之上，全部采用标准 C++语言开发，主要应用于游戏、虚拟现实和科学计算可视化与仿真领域的高性能图形程序的开发[11]。 OSG 包含了一系列的开源图形库，主要为图形图像应用程序的开发提供场景管理和图形渲染优化的功能[12]。它采用自顶向下的树状结构的场景图来管理和组织空间数据集。场景图大量定义的节点类型及其内部的空间组织结构能力，使传统的底层渲染 API 无法实现的数据存储特性得到了实现，提高了渲染的效率。根节点地形节点河流节点图 3 场景图形示例场景图形树结构的顶部是一个根节点。从根节点向下延伸，各个组节点中均包含了几 Fig.3 A sample of scene graph 何信息和用于控制其外观的渲染状态信息。根节点和各个组节点都可以有零个或多个子成员。在场景图形的最底部，各个叶节点包含了构成场景中物体的实际几何信息。图 3 描述了一个简单的场景图形，根节点包含地形节点和河流节点，分别对应地形和河流模型。 4. 理论及方法本文采用成熟的河道三维水流数学模型[1]作为系统的后台计算模型。该数学模型在平面上采用正交曲线拟合坐标，在垂向上采用无量纲变换，模型的节点变量布置采用交错网格布置。如图 4-6 所示。 - 3 -

http://www.paper.edu.cn 图 4 ξ η− 平面节点布置图 Fig.4 Layout of ξ η− node 图 5 σ ξ− 平面节点布置图 Fig.5 Layout of σ ξ− node 图 6 σ η− 平面节点布置图 Fig.6 Layout of σ η− node - 4 -

http://www.paper.edu.cn 该数学模型原来的计算结果就是以文件形式来表示的，文件中依次包含了各网格点的 U、V、W 流速等信息。本文的主要工作就是把这些数据生动的展现出来，不仅仅实现河流水面的三维表达，其内部形态也要能够展现出来。另外一点值得注意的是，数学模型的结果是直接显示的，即结果数据不再输出到文件中，再从文件中读取数据来显示，而是计算和显示同步进行，达到一边计算一边演示的效果，真正意义上实现实时动态显示。研究思路，首先是地形的构建，构造河流的地理环境；其次是初始河流的构建，即后台数学模型没有开始计算时的河流；最后是流动的河流，即开始计算后河流的演示及其信息查询。在 Visual C++平台上，以 OSG2.2 版本为基础，进行开发。难点是河流的构建，我们知道河流包括河床、河面及其内部水体。本文把河床和河面之间的水体分为六层，通过这六层河层来组成河流的内部水体。从而由河床、六层河层、河面来组成三维河流。当然也可以把河床和河面之间的水体分为其他层数，本文采用的是六层。在 OSG 中构造一个根节点，其包括两个子节点，一是地形节点，二是河流节点。河流节点又包括三个子节点：河床节点、六层河层节点、河面节点（如图 7 所示）。根节点地形节点河流节点河床节点六层河层节点河面节点图 7 OSG 的树状数据结构 Fig.7 Dendriform data structure of OSG 4.1 三维地形的构建选取包含长江澄通河段的数字高程模型（DEM）数据，经 ArcGIS 软件处理成规则格网类型的 DEM，并输出到文本格式的文件中去，利用 osg::HeightField 类来构造地形，如图 8 所示。贴上该地区的遥感图片，则更加逼真，如图 3 中地形所示。 - 5 -

http://www.paper.edu.cn 图 8 长江澄通河段地形 Fig8 Terrain of Yangtze River ChengTong Reach 由于 DEM 的分辨率小，研究区域范围大，再加上该区域本身比较平坦，为平原地区，所以构造的地形起伏不大。看上去像平面一样，在窗口的西部有些小山包，河床也比较浅，其他地区就非常平坦了。osg::HeightField 类是地形类，专门用来构建地形，只需给定单元格大小、左下角坐标、格网点高程值即可构建出地形。 4.2 初始河流的构建初始河流的构建包括河床、六层河层以及河面的构建。 4.2.1 河床的构建裁取河道的 DEM 数据，经过河海大学研制的“数字流域”系统处理成只包含 X、Y、Z 坐标的文本文件。这次不用 osg::HeightField 类，而用 OSG 提供的多边形绘图命令，利用这些简单图元的绘制函数绘制多个三角形或四边形来近似模拟河床。定义图元的类型 osg::PrimitiveSet::QUAD_STRIP，即四边形条带的形式。把 DEM 数据点按顺序读到河床的顶点数组中去，即依次输入相邻的两排 DEM 数据点的三维坐标便构成一个四边形条带，多个相邻的四边形条带便构成了河床的空间模型，如图 9 所示。这样可以体现河道弯曲形状，如图 10 所示。如果用 osg::HeightField 类，则构造成一个矩形区域的地形，无法显示河流的弯曲特点。 - 6 -

http://www.paper.edu.cn 图 9 用 OSG 的四边形条带来构图 Fig8 Use QUAD_STRIP of OSG 图 10 河床的整体图 Fig10 The whole river bed 4.2.2 六层河层的构建在河道数学模型的计算网格中（如图 4～6 所示），选取三维水位节点下方的压强节点（如图 5、6 中的红点）作为河层的节点，其他信息诸如 U 方向流速、V 方向流速、W 方向流速等则附加在该节点上。这些压强节点的坐标可以从对应的 DEM 数据中获取，而垂向的高程值为河面的水位值和河床高程值之间的插值。因为采用交错网格，压强节点的数目比河床规则格网 DEM 的高程点的数目少一半。我们采用一层一层构建的方法，来组织河流。原理与构建河床相同，为了与计算网格类似，我们采用四边形条带 osg::PrimitiveSe- t::QUAD_STRIP 图元类型来模拟河层，如图 11 所示。 - 7 -

http://www.paper.edu.cn 图 11 六层河层局部我们在构造初始河流时后台的数学模型尚未开始计算，因而河流的水位是未知的。我们 Fig.11 Six-storey river section 暂时采用河床一侧的岸边的高程值作为初始水面的水位值，通过与河床高程值的插值来构建初始河流的内部六层河层。 4.2.3 河面的构建最后河流水面的的构造。实际在计算开始后由于河面水位值的变化，对应的节点的垂向值也随之变化，从河流的侧面看比较明显，但是从河流的上面看便不明显了。为此给该河流加一个流动的河面。OSG 已经和着色语言结合起来，采用着色语言的方式来表现河面，实现水流的动态模拟，如图 12 所示。同样们暂时采用河床一侧的岸边的高程值作为初始水面的水位值，来构建初始河流的河面。因而河道中的江心洲、露滩则未显示出来，等开始计算后随着水位值的更新而逐渐显示出来。图 12 基于着色语言的河面 Fig.12 River surface based on Shading language - 8 -

资料库

基于OSG的三维河流的可视化研究——以长江澄通河段为例 .pdf

相关推荐

开发技术

热门标签

最新资料